镍基单晶合金高温蠕变筏化模型研究

在基于细观两相胞元结构的滑移本构模型基础上,引入高温蠕变筏化机制,并与三维胞元应力应变解析模型结合,来模拟DD3在1223K和SRR99在1123K和1253K下的蠕变筏化。文章首先给三维胞元应力应变解析模型引入细观胞元尺寸的变化,再通过对相关理论及试验观测的分析,提出以γ/γ′各界面位错密度的大小和基体各通道有效应力的状态为依据来判断 的筏化类型和方向,最后应用Avrami方程定量分析胞元中 的高温筏化过程,通过对细观胞元尺寸和应力应变状态的实时更新,再结合细观滑移本构模型得到材料的高温蠕变全过程。模拟结果表明,本模型提出的对筏化类型和方向的判断均与试验所得结论相吻合,且其筏化过程也基本符合试验观测的结果,筏化定量分析的加入使此考虑细观胞元结构的滑移本构模型可以较准确的模拟单晶材料的高温蠕变性能。     

镍基单晶合金蠕变细观结构演化及表征模拟

分析了NASAIR100在高温下不同应力和温度的蠕变及细观结构演化的异同,得到了材料4个主要的细观结构演化参数及其与蠕变的对应关系,在筏化模型的基础上建立了计及沉淀相筏化过程中厚度和基体通道宽度变化的细观结构演化模型,得到材料沉淀相和基体的细观演化过程及蠕变.结合试验结果,给出了不同细观演化方式对蠕变曲线的影响.在高温下同时考虑基体和沉淀相的4个细观参数变化可以使模型更贴近细观实际,并能较好地模拟材料在不同应力和温度下的蠕变.      

镍基单晶结构的蠕变损伤寿命研究

基于镍基单晶合金材质细观演化规律，提出了同时考虑筏化-解筏及夹杂空洞损伤机理的双参数蠕变损伤本构模型。该本构模型已编入ABAQUS的umat。单向应力状态试验表明它可以模拟镍基单晶结构材料的蠕变规律，特别是晶体取向相关性；利用双剪切和模拟单晶叶片蠕变试验对模型进行了考核，结果相当满意。进一步对单晶叶片的蠕变损伤寿命进行分析，叶片的三维取向优化，可以很大程度地提高叶片的蠕变寿命。     

Ni3Al基单晶高温合金蠕变本构模型

结合Ni3Al基单晶高温合金蠕变行为的细观机理,在晶体滑移理论的基础上,建立了描述Ni3Al基单晶高温合金蠕变行为的本构模型,并通过ANSYS提供的UPFs二次开发平台对所建立的本构模型进行了有限元实现。利用蠕变试验数据,结合遗传算法获取了两种Ni3Al基材料的蠕变本构模型参数。利用所建立的蠕变本构模型对两种Ni3Al基材料的高温拉伸试件进行了有限元模拟,与试验结果吻合良好。这表明在晶体滑移理论基础上建立的本构模型是合理的,并且能够较好地描述Ni3Al基单晶高温合金三个阶段的蠕变行为,具有一定的应用价值。      

基于筏化的镍基单晶合金高温蠕变模型

采用应力法以及界面能法对不同取向的镍基单晶合金在950℃下的筏化类型进行了预测.上述两种方法的筏化预测结果一致,[001]取向为N型筏化,[011]取向为P型筏化,[111]取向不筏化.进一步,根据筏化预测结果以及晶体滑移理论,结合Kachanov-Robotnov（K-R）损伤演化公式,建立了一个镍基单晶合金蠕变模型,采用该模型并结合商用有限元软件Abaqus的用户材料子程序（UMAT）二次开发接口,对[001],[011]和[111]取向下的CMSX-4镍基单晶合金,在950℃,180~450MPa应力条件下的蠕变变形行为进行了模拟.该模型能够准确预测镍基单晶合金的筏化类型以及滑移系开动规律,更加符合材料的蠕变变形物理机制,因此模型可以对镍基单晶合金的高温蠕变曲线的第2,3阶段进行很好的模拟,并得到了试验的验证.      

陶瓷基复合材料高精度宏细观统一本构模型研究

基于高精度通用单胞模型(HFGMC)建立了陶瓷基复合材料(CMCs)的宏细观统一本构模型.首先基于CMCs的细观结构和损伤特点建立代表体元(RVE)并定义细观损伤变量.然后采用HFGMC模型计算细观损伤变量的演化,由此获得宏观应力应变曲线,从而建立了CMCs的宏细观统一本构模型.采用该本构模型预测了CMCs的宏观应力应变曲线,与实验结果吻合良好.结果表明该本构模型能够模拟CMCs的拉伸与损伤行文,为CMCs强度分析提供了有效手段.      

基于细观位错机理的单晶合金高温力学性能模拟

利用基于细观位错运动的蠕变筏化模型对镍基单晶合金CMSX-4在1223K下的拉伸、蠕变、循环、蠕变疲劳交互及各向异性进行模拟,结果表明:拉伸过程中应变率较高时应力略微下降的现象;蠕变条件下应力越大则蠕变第1阶段越明显,而蠕变稳定阶段越短的趋势;蠕变疲劳交互作用下的应力松弛和应变增大;以及单晶3个典型晶体取向的循环应变硬化特征。通过与试验结果对比,验证了此模型在较高温度下对单晶合金性能的综合模拟能力。     

一种含Re单晶镍基合金的高温蠕变行为

通过测定蠕变曲线及位错运动的内摩擦应力(σ0),研究了一种含Re单品镍基合金的蠕变行为,并计算出稳态蠕变期间的表观蠕变激活能及应力指数.结果表明:在稳态蠕变期间位错运动的内摩擦应力(σ0),随外加应力的提高略有提高,随温度的升高而明显降低.在蠕变初期,γ'相沿垂直于应力轴方向形成N型筏状结构,随蠕变进行,筏状γ'相发生粗化,且距离断口越近,筏状γ'相粗化及扭曲程度越严重,其中,由于颈缩使样品近断口区域承受最大有效应力,是使筏状γ'相粗化及扭曲加剧的主要原因.蠕变后期,合金的变形机制是位错剪切筏状γ'相.     

三维机织复合材料细观黏弹性梁模型

建立了两种组合梁模型,分别模拟3D机织复合材料内部和表面纤维束的细观结构,模型反映了纤维束细观结构和变形的周期性,考虑了纤维束的局部弯/剪耦合效应和局部偏轴效应。实验确定了一种树脂基体各向同性蠕变本构的参数,在此基础上建立了纤维束横观各向同性的蠕变本构模型,将基体和纤维束的蠕变本构应用于上述细观组合梁模型,用于分析3D机织复合材料宏观平均的黏弹性应力应变响应。用上述模型分析了一种环氧树脂/玻纤体系3D机织复合材料的细观应力分布和平均宏观模量,模拟了其蠕变、弹性回复曲线,模型预测与实验结果吻合。     

镍基单晶合金初始细观结构及变形影响因素研究

通过对国内外大量镍基单晶合金的细观试验现象及结论进行分析,给出了单晶合金细观2相结构的主要变形特征,并研究得到影响单晶合金初始细观结构及其变形的3个因素分别为γ′初始尺寸、形状及γ/γ′初始错配度。结果表明：在高温、较高应力的条件下,γ′的初始尺寸为0.45 μｍ（γ′体积分数约为70％）,初始形状为立方块且不发生任何预筏化,初始错配度为负且绝对值较大时,合金的综合力学性能最佳     

单晶合金蠕变性能影响因素分析

通过分析热处理工艺、元素含量、晶体取向性以及温度和应力对蠕变性能的影响,得出任何1种影响合金蠕变性能的因素其实质都是改变了合金的微观组织,并最终反映到γ′筏形的完善程度S、终端密度TD和线性密度LD上。S值越接近1,γ′筏形的完善程度越好,蠕变寿命就越长;而TD和LD值越大,微观组织图内筏形交叉和中断的数目就越多,蠕变寿命就越短。     

镍基单晶合金黏塑性行为的微力学模型

考虑镍基单晶合金细观两相共格的微组织结构特点,采用周期性胞元假设,在胞元不同区域构建其三维应力应变解析模型,并针对细观胞元中位错的增殖、攀移、切割及恢复等主要机制建立其黏塑性应变模型,二者结合较全面地模拟了镍基单晶合金SC16和DD3在1123 K和1033 K下的单调拉伸、蠕变及循环特性.根据模拟结果,对黏塑性应变模型中各个位错机制所起的作用及控制方式进行了具体分析,通过与试验曲线比较,得到了较一致的结果.      

镍基单晶涡轮单晶材料的细观力学研究

本文针对CMSX-4单晶材料,在细观层次上对筏化-解筏以及空穴这两种主要损伤机理进行了细观试验研究。结果表明．空穴在蠕变、疲劳和热机械疲劳损伤中起着重大的作用;蠕变过程中的筏化规律影响材料的蠕变寿命,但细观层次的筏化,影响因素较为复杂。本文的研究结果对准确评定镍基单晶涡轮叶片的剩余寿命具有参考作用。     

Compression Creep Behavior of High Volume Fraction of SiC Particles Reinforced AI Composite Fabricated by Pressureless Infiltration

The compression creep deformation of the high volume fraction of SiC particles reinforced AI-Mg-Si composite fabricated by pressure-less infiltration was investigated. The experimental results show that the creep stress exponents are very high at temperatures of 673 K, 723 K and 773 K, and if taking the threshold stress into account, the true stress exponent of minimum creep strain rate is still approximately 5, although the volume fraction of reinforcements is very high. The creep strain rate in the high volume fraction reinforced aluminum alloy matrix composites is controlled by matrix lattice diffusion. It is found that the creep-strengthening effect of high volume fraction of silicon carbide particles is significant, although the particles do not form effective obstacles to dislocation motion.     

Compression Creep Behavior of High Volume Fraction of SiC Particles Reinforced Al Composite Fabricated by Pressureless Infiltration

The compression creep deformation of the high volume fraction of SiC particles reinforced Al-Mg-Si composite fabricated by pressure-less infiltration was investigated. The experimental results show that the creep stress exponents are very high at temperatures of 673 K, 723 K and 773 K, and if taking the threshold stress into account, the true stress exponent of minimum creep strain rate is still approximately 5, although the volume fraction of reinforcements is very high. The creep strain rate in the high volume fraction rein- forced aluminum alloy matrix composites is controlled by matrix lattice diffusion. It is found that the creep-strengthening effect of high volume fraction of silicon carbide particles is significant, although the particles do not form effective obstacles to dislocation motion.     

变载条件下镍基单晶合金蠕变本构建模方法

针对镍基单晶合金在变载条件下的蠕变计算问题,基于"等损伤"假设提出了一种用于变应力/温度条件下的硬化准则,并与耦合损伤的蠕变模型相结合.采用Arrhenius对数关系式对蠕变应变速率进行温度内插,使之能够用于给定温度范围的蠕变计算.将上述蠕变模型编写为ABAQUS/UMAT用户子程序,利用DD3,CMSX-4,DD6和...     

基于归一化参数模型的涡轮盘和涡轮叶片蠕变分析

为完整描述构件3个阶段的蠕变变形计算,结合所发展的各向同性材料的归一化参数蠕变模型,进一步拓展到正交各向异性材料的归一化参数蠕变模型并进行适用性验证。应用所编制的子程序对高温材料涡轮盘和定向结晶材料涡轮叶片结构,进行了蠕变变形及应力松弛效应计算分析。结果表明：经过一定时间的蠕变变形,涡轮盘和涡轮叶片的高应力区会出现应力松弛。总体上轮盘的应力分布更加均匀,静力分析得到的轮盘中心孔、螺栓孔边和轮缘辐板过渡段处高应力区,由于存在蠕变变形,均出现较明显的应力松弛,但是盘中心孔处的应力松弛幅度较小,可能长时间处于高应力状态,应作为结构设计的危险部位重点考查;涡轮叶片也具有同样的应力松弛蠕变效应,特别是随着蠕变变形的增大,叶尖径向变形(位移)逐渐增大,在结构设计中,应考虑叶片叶尖与机匣长期工作径向碰摩而带来的不利影响。